鋼桁腹桿PC組合箱梁橋自振特性研究

方映平

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東深圳518029）

鋼桁腹桿PC組合箱梁橋自振特性研究

方映平

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東深圳518029）

為研究鋼桁腹桿預(yù)應(yīng)力混凝土（P C）組合箱梁橋自振特性，以一座三跨連續(xù)波形鋼腹板P C組合箱梁橋?yàn)楸尘肮こ?，將原箱梁中的波形鋼腹板用鋼桁腹桿代替，進(jìn)行鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的設(shè)計(jì)。利用A N S Y S和M id a s C i v i l兩種分析軟件建立三維有限元模型，分析該橋型的自振特性。以橫隔板的布置為參數(shù)，研究其對(duì)鋼桁腹桿P C組合箱梁橋自振特性的影響。結(jié)果表明：鋼桁腹桿P C組合箱梁橋豎彎剛度小，抗扭剛度大；布置橫隔板對(duì)鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的豎彎剛度影響不大，對(duì)箱梁的橫彎剛度和抗扭剛度有一定影響，且當(dāng)對(duì)橫隔板進(jìn)行合理布置時(shí)，箱梁的抗扭剛度提高明顯。

鋼桁腹桿P C組合箱梁；自振特性；橫隔板；有限元法

0 引言

鋼桁腹桿P C組合箱梁橋作為一種新型組合橋梁結(jié)構(gòu)，最早在1985年應(yīng)用于法國(guó)的A r b o is橋，隨后這種橋型在日本、加拿大等國(guó)得到了一些應(yīng)用[1]。這種新型組合橋梁結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)造包括混凝土頂?shù)装?、鋼桁腹桿、體外和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索等，利用鋼桁腹桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)P C箱梁橋中的混凝土腹板，能夠有效減輕主梁自重，提高箱梁橋的跨越能力[2]。此外，這種箱梁結(jié)構(gòu)中鋼桁腹桿節(jié)點(diǎn)集中，節(jié)點(diǎn)焊接量少，施工方便。目前，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)正逐漸得到國(guó)際土木工程界的廣泛認(rèn)同，但總的來(lái)說(shuō)，該結(jié)構(gòu)還處于研究與發(fā)展階段，特別是其動(dòng)力特性的研究。本文以一座三跨連續(xù)波形鋼腹板P C組合箱梁橋?yàn)楸尘肮こ?，將原箱梁中的波形鋼腹板用鋼桁腹桿代替，進(jìn)行鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的設(shè)計(jì)，利用A N S Y S和M id a s C i v i l兩種軟件建立三維有限元分析模型，分析布置橫隔板對(duì)其自振特性的影響，從而為工程設(shè)計(jì)提出相關(guān)合理的建議。

1 工程概況

本文模型為80 m+130 m+80 m的三跨連續(xù)鋼桁腹桿P C組合箱梁橋。箱梁的頂板厚度為28 c m，在頂板與鋼桁腹桿連接處設(shè)置梗腋，梗腋的厚度為80 c m；底板的初始厚度為25 c m并逐漸向跨中支座處遞增至100 c m，底板與鋼桁腹桿連接處的厚度在底板厚度的基礎(chǔ)上加厚30 c m；頂板寬1 265 c m，底板寬660 c m。設(shè)計(jì)的鋼腹桿P C組合箱梁橋的標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸如圖1所示。

圖1 鋼腹桿組合箱梁橋標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸（單位：cm）

2 有限元模型

分別利用A N S Y S和M id a s C i v i l兩種軟件建立三維空間有限元模型，其中A N S Y S采用實(shí)體單元模型，M id a s C i v i l采用空間梁格模型[3]，兩種軟件建立的有限元模型參數(shù)見(jiàn)表1，局部有限元模型和全橋有限元模型分別如圖3和圖4所示。本文中鋼桁腹桿P C組合箱梁橋模型只建了上部結(jié)構(gòu)，沒(méi)有考慮下部構(gòu)造的橋墩，因此在原有橋墩位置處按三跨連續(xù)梁橋的支承形式對(duì)箱梁相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自由度進(jìn)行約束。

圖2 鋼腹桿組合箱梁橋1/2橋長(zhǎng)立面簡(jiǎn)圖（單位：cm）

表1 鋼腹桿PC組合箱梁橋有限元模型參數(shù)

圖3 局部有限元模型

圖4 全橋有限元模型

3 自振特性分析

在進(jìn)行鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的自振特性分析前，先進(jìn)行靜力分析，驗(yàn)算設(shè)計(jì)的箱梁橋整體的變形以及各構(gòu)件的強(qiáng)度是否滿足要求[4]，從而獲得合理的構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)布置。靜力分析時(shí)，考慮的荷載包括箱梁的自重、二期恒載、汽車(chē)荷載、預(yù)應(yīng)力以及溫度效應(yīng)等。

首先在不布置橫隔板的情況下對(duì)鋼桁腹桿P C組合箱梁橋進(jìn)行自振特性分析，考慮到本文僅做成橋階段的自振特性分析，因此荷載僅考慮箱梁的自重及橋面上的二期恒載。提取兩種有限元軟件自振特性分析前八階模態(tài)的振型和頻率，見(jiàn)表2。

表2 ANSYS與Midas Civil有限元模型自振特性對(duì)比

從表2可知，模型的第一階模態(tài)表現(xiàn)為豎彎，說(shuō)明對(duì)于中大跨度的鋼桁腹桿組合P C箱梁連續(xù)橋，其豎向抗彎剛度較小，這與傳統(tǒng)的混凝土腹板箱梁橋的動(dòng)力特性類(lèi)似。模型在第六階模態(tài)才開(kāi)始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，說(shuō)明由混凝土頂?shù)装逡约颁撹旄箺U組成的箱梁截面同樣具有較大的抗扭剛度，組合截面整體性好。

前八階模態(tài)，除了扭轉(zhuǎn)振型的振動(dòng)頻率差值大于10%以外，其他各階模態(tài)的頻率差值均在10%左右，這種差值的原因可能來(lái)自三方面：一是兩種分析軟件建模時(shí)分別采用不同的單元類(lèi)型；二是頂?shù)装迮c鋼腹桿的連接處理存在差異；三是兩種分析軟件建立的有限元模型的約束條件不完全一致。總的來(lái)說(shuō)，A N S Y S與M id a s C i v i l自振分析得到的前八階模態(tài)的振型和頻率基本相近，說(shuō)明所建立的鋼腹桿P C組合箱梁橋的有限元模型基本正確。

4 橫隔板布置對(duì)箱梁自振特性的影響

為研究橫隔板布置位置對(duì)鋼桁腹桿P C組合箱梁橋自振特性的影響規(guī)律，下面采用A N S Y S A P D L語(yǔ)言編寫(xiě)參數(shù)化控制程序進(jìn)行分析[5]。在上述有限元模型的基礎(chǔ)上，布置一道與頂?shù)装骞探Y(jié)的混凝土橫隔板，橫隔板厚度為0.4 m，除支座處墩上截面橫隔板移動(dòng)間距稍小外，其他位置橫隔板的移動(dòng)間距為4.8 m。分析時(shí)控制橫隔板的位置從橋的一端移動(dòng)到另一端，在每道橫隔板位置進(jìn)行一次模態(tài)分析，并從分析結(jié)果提取第一階豎彎、橫彎以及扭轉(zhuǎn)振型的振動(dòng)頻率ω，繪制橫隔板位置對(duì)鋼腹桿P C組合箱梁橋第一階豎彎、橫彎以及扭轉(zhuǎn)振型影響效應(yīng)的影響線。如圖5所示，橫坐標(biāo)以箱梁全橋?yàn)閰⒄眨硎疽苿?dòng)橫隔板的布置位置，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)表示每道橫隔板對(duì)箱梁橋振動(dòng)基頻影響的縮放系數(shù)（其中ω0表示原模型對(duì)應(yīng)基頻的頻率）。

圖5 橫隔板對(duì)鋼腹桿箱梁橋豎彎、橫彎及扭轉(zhuǎn)基頻影響效應(yīng)影響線

從圖5的影響線可以看出，布置橫隔板對(duì)鋼腹桿P C組合箱梁連續(xù)橋的自振特性有一定的影響：對(duì)于豎彎基頻而言，在支座附近的墩上截面處布置橫隔板，豎彎基頻基本沒(méi)有變化，而在箱梁跨內(nèi)其他位置布置橫隔板，箱梁豎彎基頻反而有所下降，說(shuō)明布置橫隔板對(duì)箱梁橋的豎彎剛度基本沒(méi)影響；當(dāng)橫隔板布置在邊跨跨中兩側(cè)50 m以及中跨跨中兩側(cè)90 m左右區(qū)間內(nèi)，橫彎基頻稍有下降，而在其他位置布置橫隔板，頻率增大，越靠近兩端支座位置，增幅越大，最大增幅為2.0%；布置橫隔板對(duì)鋼腹桿P C組合箱梁橋的扭轉(zhuǎn)基頻有一定的影響，當(dāng)橫隔板布置在支座附近的墩上截面時(shí)，箱梁橋的扭轉(zhuǎn)頻率增大，而當(dāng)橫隔板布置在跨內(nèi)位置時(shí)，對(duì)箱梁橋的扭轉(zhuǎn)頻率影響不大。由自振特性分析可知，第一階扭轉(zhuǎn)振型為全橋扭轉(zhuǎn)，且扭轉(zhuǎn)成分主要發(fā)生在第三跨（210～290 m范圍），因此當(dāng)橫隔板布置在第三跨支座附近的墩上截面時(shí)，效果最佳，此時(shí)頻率的提高幅度為4.4%。說(shuō)明當(dāng)需要通過(guò)布置橫隔板提高箱梁的扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，橫隔板宜布置在支座附近的墩上截面，且需結(jié)合扭轉(zhuǎn)振型的振動(dòng)情況進(jìn)行合理布置。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元分析軟件建立了三跨連續(xù)的鋼桁腹桿P C組合箱梁橋有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行了自振分析，并以橫隔板位置為參數(shù)研究了橫隔板布置對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)體系的箱梁橋自振特性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）本文利用A N S Y S和M id a s C i v i l兩種軟件建立有限元模型進(jìn)行自振特性分析，兩種軟件的分析結(jié)果接近，說(shuō)明建立的鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的有限元模型基本正確。

（2）鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的動(dòng)力特性與普通P C組合箱梁橋類(lèi)似，豎彎剛度小，抗扭剛度大，箱梁整體性能好。

（3）布置橫隔板對(duì)鋼桁腹桿P C組合箱梁橋的豎彎剛度影響不大，對(duì)箱梁的橫彎剛度和抗扭剛度有一定影響。當(dāng)橫隔板布置在靠近支座附近的墩上截面時(shí)，可有效提高抗扭剛度，但需結(jié)合扭轉(zhuǎn)振型的振動(dòng)情況進(jìn)行合理布置。

[1]張建東，劉釗，陳揚(yáng)，等.桁腹-混凝土組合梁橋的發(fā)展與應(yīng)用[C]//2010年全國(guó)橋梁會(huì)議論文集.南京，2010:144-147.

[2]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]黃華琪，張建東，劉釗.鋼桁腹式混凝土組合箱梁橋的空間梁格模型[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2011,8（6）:27-30.

[4]J T G D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]蓋衛(wèi)明.大跨度波形鋼腹板組合箱梁橋的橫隔板設(shè)置研究[J].城市道橋與防洪，2014（7）:135-136.

U441

A

1009-7716（2017）06-0092-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.026

2017-03-06

方映平（1990-），男，廣東揭陽(yáng)人，助理工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。